Асноўныя параметры працэсу лазернай зваркі

1) Магутнасць лазера. У лазернай зварцы існуе парог шчыльнасці энергіі лазера, ніжэй за які глыбіня расплаўлення невялікая, і калі гэта значэнне дасягаецца або перавышаецца, глыбіня расплаўлення істотна павялічваецца. Толькі калі шчыльнасць магутнасці лазера на нарыхтоўцы перавышае парог (залежыць ад матэрыялу), генеруецца плазма, якая азначае стабілізацыю зваркі глыбокім плаўленнем. Калі магутнасць лазера ніжэй гэтага парога, нарыхтоўка падвяргаецца толькі павярхоўнаму расплаўленню, г.зн. зварка праходзіць па тыпу стабільнай цеплаперадачы. Калі шчыльнасць магутнасці лазера блізкая да крытычнага стану адукацыі невялікіх адтулін, зварка глыбокім плаўленнем і кандуктыўная зварка чаргуюцца і становяцца нестабільнымі працэсамі зваркі, што прыводзіць да вялікіх ваганняў глыбіні расплаву. Пры лазернай зварцы глыбокім плаўленнем магутнасць лазера кантралюе як глыбіню пранікнення, так і хуткасць зваркі, як паказана на малюнку 1. Глыбіня зваркі расплаву непасрэдна звязана з шчыльнасцю магутнасці прамяня і з'яўляецца функцыяй магутнасці падаючага прамяня і факальнай плямы прамяня. Увогуле, пры пэўным дыяметры лазернага прамяня глыбіня расплаўлення павялічваецца па меры павелічэння магутнасці прамяня.

2) Фокус прамяня. Памер плямы прамяня з'яўляецца адной з найбольш важных зменных у лазернай зварцы, паколькі ён вызначае шчыльнасць магутнасці. Аднак яго вымярэнне з'яўляецца складанай задачай для лазераў высокай магутнасці, хоць многія метады ўскоснага вымярэння ўжо даступныя.

Гранічны памер плямы факальнай дыфракцыі прамяня можа быць разлічаны па тэорыі дыфракцыі святла, але фактычная пляма большая за разлічанае значэнне з-за наяўнасці аберацыі факусіруючай лінзы. Самы просты рэальны метад вымярэння - метад ізатэрмічнага профілю, які заключаецца ў вымярэнні факальнай плямы і дыяметра перфарацыі пасля прапальвання і пранікнення ў поліпрапіленавую пласціну шчыльнай паперай. Гэты метад варта вымераць практыкай, засвоіўшы велічыню магутнасці лазера і час дзеяння прамяня.

3) Значэнне паглынання матэрыялу. Паглынанне лазера матэрыялам залежыць ад некаторых важных уласцівасцей матэрыялу, такіх як каэфіцыент паглынання, адбівальная здольнасць, цеплаправоднасць, тэмпература плаўлення, тэмпература выпарэння і г. д. Самая важная з іх - хуткасць паглынання.

Фактары, якія ўплываюць на хуткасць паглынання матэрыялам лазернага прамяня, ўключаюць два аспекты: па-першае, удзельнае супраціўленне матэрыялу. Пасля вымярэння хуткасці паглынання паліраванай паверхні матэрыялу выяўляецца, што хуткасць паглынання матэрыялу прапарцыйная квадратнаму кораню з каэфіцыента ўдзельнага супраціўлення, які, у сваю чаргу, змяняецца ў залежнасці ад тэмпературы; па-другое, стан паверхні (або аздабленне) матэрыялу мае больш важны ўплыў на хуткасць паглынання прамяня, такім чынам, аказваючы істотны ўплыў на эфект зваркі.

Выходная даўжыня хвалі CO2-лазера звычайна складае 10,6 мкм, хуткасць паглынання керамікі, шкла, гумы, пластыка і іншых неметалаў пры пакаёвай тэмпературы вельмі высокая, у той час як металічныя матэрыялы пры пакаёвай тэмпературы паглынаюць вельмі дрэнна, пакуль матэрыял не расплавіцца або нават не выпарыцца, яго паглынанне рэзка павялічыцца. Выкарыстанне павярхоўнага пакрыцця або генерацыі паверхні аксіднай плёнкі метад для паляпшэння паглынання матэрыялу для прамяня з'яўляецца вельмі эфектыўным.

4) хуткасць зваркі. Хуткасць зваркі мае вялікі ўплыў на глыбіню расплаўлення, павелічэнне хуткасці зробіць глыбіню расплаўлення невялікай, але хуткасць занадта нізкая і прывядзе да празмернага расплаўлення матэрыялу, зварнога шва нарыхтоўкі. Такім чынам, пэўная магутнасць лазера і пэўная таўшчыня канкрэтнага матэрыялу мае прыдатны дыяпазон хуткасці зваркі, і ў якім адпаведнае значэнне хуткасці можа быць атрымана пры максімальнай глыбіні расплаву. На малюнку 2 прадстаўлена залежнасць паміж хуткасцю зваркі і глыбінёй расплаўлення сталі 1018.

5) Ахоўны газ. У працэсе лазернай зваркі часта выкарыстоўваюць інэртны газ, каб абараніць ванну расплаву, калі некаторыя матэрыялы зварваюцца незалежна ад акіслення паверхні, тады таксама не разглядаюць абарону, але для большасці прыкладанняў часта выкарыстоўваюцца гелій, аргон, азот і іншыя газы для абароны, так што нарыхтоўка ад акіслення падчас працэсу зваркі.

Гелій не лёгка іянізуецца (энергія іянізацыі высокая), што дазваляе лазеру праходзіць і энергія прамяня бесперашкодна даходзіць да паверхні нарыхтоўкі. Гэта самы эфектыўны ахоўны газ, які выкарыстоўваецца пры лазернай зварцы, але каштуе даражэй.

Аргон танней і больш шчыльны, таму лепш абараняе. Аднак ён успрымальны да высокатэмпературнай плазменнай іянізацыі металу, што прыводзіць да экраніравання часткі прамяня нарыхтоўкі, зніжэння эфектыўнай магутнасці лазера для зваркі, а таксама пагаршэння хуткасці зваркі і глыбіні плаўлення. З аргонавай абаронай паверхня зварной дэталі больш гладкая, чым з геліевай.

Азот з'яўляецца самым танным ахоўным газам, але ён не падыходзіць для некаторых відаў зваркі нержавеючай сталі, у асноўным з-за металургічных праблем, такіх як паглынанне, якое часам стварае сітаватасць у зоне нахлеста.

Другая роля выкарыстання ахоўнага газу заключаецца ў абароне факусіруючай лінзы ад забруджвання парамі металу і распылення расплаўленых кропель вадкасці. Гэта асабліва неабходна пры лазернай зварцы высокай магутнасці, дзе выкід становіцца вельмі магутным.

Трэцяя функцыя ахоўнага газу заключаецца ў тым, што ён эфектыўны ў дысперсіі плазменнага экранавання, якое ствараецца пры лазернай зварцы высокай магутнасці. Пара металу паглынае лазерны прамень і іянізуецца ў плазменнае воблака, а ахоўны газ вакол пары металу таксама іянізуецца цяплом. Калі плазмы занадта шмат, лазерны прамень у некаторай ступені спажываецца плазмай. Наяўнасць плазмы ў якасці другой энергіі на працоўнай паверхні робіць глыбіню расплаву меншай, а паверхню зварачнай ванны шырэйшай. Хуткасць утварэння электронных комплексаў павялічваецца за кошт павелічэння колькасці сутыкненняў трох цел электронаў і іёнаў і нейтральных атамаў для памяншэння шчыльнасці электронаў у плазме. Чым лягчэй нейтральны атам, тым вышэй частата сутыкненняў, тым вышэй хуткасць злучэння; з іншага боку, толькі высокая энергія іянізацыі ахоўнага газу, каб не павялічваць шчыльнасць электронаў з-за іянізацыі самога газу.

Як відаць з табліцы, памер плазменнага воблака вар'іруецца ў залежнасці ад выкарыстоўванага ахоўнага газу, прычым гелій з'яўляецца найменшым, за ім ідзе азот і найбольшым пры выкарыстанні аргону. Чым большы памер плазмы, тым меншая глыбіня плаўлення. Прычына гэтай розніцы, па-першае, звязана з рознай ступенню іянізацыі малекул газу, а таксама з-за розніцы ў дыфузіі пароў металу, выкліканай рознай шчыльнасцю ахоўных газаў.

Гелій найменш іянізаваны і найменш шчыльны, і ён хутка рассейвае пары металу, якія падымаюцца з басейна расплаўленага металу. Такім чынам, выкарыстанне гелія ў якасці ахоўнага газу можа максымізаваць падаўленне плазмы, тым самым павялічваючы глыбіню расплаўлення і паляпшаючы хуткасць зваркі; няпроста выклікаць сітаватасць з-за яго лёгкай вагі і здольнасці да ўцёкаў. Зразумела, з нашых рэальных вынікаў зваркі эфект абароны з дапамогай газу аргону нядрэнны.

Плазменнае воблака на глыбіні расплаву ў зоне нізкай хуткасці зваркі з'яўляецца найбольш відавочным. Пры павелічэнні хуткасці зваркі яе ўплыў будзе слабець.

Ахоўны газ выкідваецца праз адтуліну сопла пад пэўным ціскам, каб дасягнуць паверхні нарыхтоўкі. Вельмі важныя гідрадынамічная форма сопла і памер дыяметра выхаднога адтуліны. Ён павінен быць дастаткова вялікім, каб распылены ахоўны газ пакрываў зварачную паверхню, але для эфектыўнай абароны лінзы і прадухілення забруджвання парамі металу або пашкоджання лінзы металічнымі пырскамі памер сопла таксама павінен быць абмежаваны. Хуткасць патоку таксама павінна кантралявацца, інакш ламінарны паток ахоўнага газу становіцца турбулентным і атмасфера ўцягваецца ў расплаўлены басейн, у канчатковым выніку ўтвараючы сітаватасць.

Для таго, каб палепшыць ахоўны эфект, таксама даступны дадатковы спосаб бакавога выдзімання, гэта значыць праз сопла меншага дыяметра будзе падаваць ахоўны газ пад пэўным вуглом непасрэдна ў глыбокае расплаўленае зварное адтуліну. Ахоўны газ не толькі душыць плазменнае воблака на паверхні нарыхтоўкі, але і аказвае ўплыў на плазму ў адтуліне і адукацыю маленькага адтуліны, яшчэ больш павялічваючы глыбіню праплавлення і атрымліваючы больш глыбокі і шырокі зварны шво, чым пажадана. Тым не менш, гэты метад патрабуе дакладнага кантролю памеру і напрамку патоку газу, у адваротным выпадку лёгка стварыць турбулентнасць і пашкодзіць басейн расплаву, у выніку чаго працэс зваркі будзе цяжка стабілізаваць.

6) Фокусная адлегласць аб'ектыва. Зварка звычайна выкарыстоўваецца для факусіроўкі спосабу лазернай канвергенцыі, агульны выбар 63 ~ 254 мм (2,5 '~ 10') фокусная адлегласць лінзы. Памер сфакусаванай плямы прапарцыйны фокуснай адлегласці, чым карацей фокусная адлегласць, тым менш пляма. Але фокусная адлегласць таксама ўплывае на фокусную глыбіню, гэта значыць, фокусная глыбіня павялічваецца адначасова з фокуснай адлегласцю, таму кароткая фокусная адлегласць можа палепшыць шчыльнасць магутнасці, але з-за невялікай фокуснай глыбіні адлегласць паміж лінзай і нарыхтоўкай павінна быць дакладна захавана, а глыбіня плаўлення не вялікая. З-за ўплыву пырскаў, якія ўтвараюцца ў працэсе зваркі, і ў рэжыме лазера фактычная зварка з выкарыстаннем самай кароткай глыбіні факусіроўкі, большай за фокусную адлегласць 126 мм (5'). Калі шво вялікі або зварны шво трэба павялічыць за кошт павелічэння памеру плямы, можна выбраць аб'ектыў з фокуснай адлегласцю 254 мм (10'), і ў гэтым выпадку для дасягнення глыбокага плаўлення патрабуецца большая выходная магутнасць лазера (шчыльная магутнасць). эфект маленькай дзіркі.

Калі магутнасць лазера перавышае 2 кВт, асабліва для лазернага прамяня CO2 10,6 мкм, з-за выкарыстання спецыяльных аптычных матэрыялаў для фарміравання аптычнай сістэмы, каб пазбегнуць рызыкі аптычнага пашкоджання факусіруючай лінзы, часта выбіраюць метад факусіроўкі па адлюстраванні, як правіла, з выкарыстаннем паліраванага меднага люстэрка ў якасці адбівальніка. Дзякуючы эфектыўнаму астуджэнню яго часта рэкамендуюць для факусоўкі лазернага прамяня высокай магутнасці.

7) становішча каардынацыйнага цэнтра. Зварка, для таго, каб падтрымліваць дастатковую шчыльнасць магутнасці, становішча фокуснай кропкі мае вырашальнае значэнне. Змены ў становішчы фокуснай кропкі адносна паверхні нарыхтоўкі непасрэдна ўплываюць на шырыню і глыбіню шва. На малюнку 3 паказаны ўплыў становішча фокуснай кропкі на глыбіню расплаўлення і шырыню шва сталі 1018. У большасці прымянення лазернай зваркі фокусная кропка звычайна размяшчаецца прыкладна на 1/4 жаданай глыбіні расплаву ніжэй паверхні нарыхтоўкі.

8) Становішча лазернага прамяня. Пры лазернай зварцы розных матэрыялаў становішча лазернага прамяня кантралюе канчатковую якасць зварнога шва, асабліва ў выпадку стыкаў, якія больш адчувальныя да гэтага, чым злучэнні внахлест. Напрыклад, калі зубчастыя перадачы з загартаванай сталі прыварваюцца да барабанаў з мяккай сталі, належны кантроль становішча лазернага прамяня палегчыць вытворчасць зварнога шва з пераважна нізкім утрыманнем вугляроду, які мае лепшую ўстойлівасць да расколінаў. У некаторых прыкладаннях геаметрыя нарыхтоўкі, якую трэба зварыць, патрабуе адхілення лазернага прамяня на вугал. Калі вугал адхіленні паміж воссю прамяня і плоскасцю злучэння знаходзіцца ў межах 100 градусаў, паглынанне лазернай энергіі нарыхтоўкай не паўплывае.

9) Пачатковая і канчатковая кропка зваркі магутнасці лазера паступова павялічваецца, паступова зніжаецца кантроль. Лазерная зварка глыбокім расплаўленнем, незалежна ад глыбіні зварнога шва, з'ява невялікіх адтулін заўсёды існуе. Калі працэс зваркі спынены і выключальнік сілкавання выключаны, у канцы зварнога шва з'явіцца кратэр. Акрамя таго, калі пласт лазернай зваркі пакрывае арыгінальны зварны шво, будзе празмернае паглынанне лазернага прамяня, што прывядзе да перагрэву або сітаватасці зварнога шва.

Каб прадухіліць вышэйпералічаныя з'явы, можна запраграмаваць кропкі запуску і прыпынку магутнасці, каб час запуску і спынення магутнасці станавіўся рэгуляваным, г.зн. пускавая магутнасць павялічвалася электронным спосабам ад нуля да зададзенага значэння магутнасці за кароткі прамежак часу, час зваркі рэгулюецца, і, нарэшце, магутнасць паступова зніжалася ад зададзенай магутнасці да нулявога значэння, калі зварка спыняецца.